Уникальные системы открывают новые пути экономичного получения "зеленого" водорода, устойчивого и возобновляемого источника энергии, а также потенциал для утилизации азотистых отходов в водной среде.

Как правило, водород образуется с помощью электролиза для расщепления воды на кислород и водород. Это многообещающая технология, помогающая справиться с глобальным энергетическим кризисом, но процесс энергоемкий, что делает его непомерно дорогостоящим по сравнению с извлечением водорода из ископаемого топлива (серого водорода), что само по себе нежелательно из-за образующихся при этом выбросов углекислого газа.

В отличие от воды, система электролиза, которая вырабатывает водород из мочевины, потребляет значительно меньше энергии.

Несмотря на это преимущество, существующие системы на основе мочевины сталкиваются с рядом ограничений, таких как низкое количество извлекаемого водорода и образование нежелательных азотистых побочных продуктов (нитратов и нитритов), которые токсичны и конкурируют с производством водорода, что еще больше снижает общую эффективность системы.

Исследователи из Центра передового опыта в области углеродных наук и инноваций Австралийского исследовательского совета (COE-CSI) и Университета Аделаиды разработали две системы электролиза на основе мочевины, которые преодолевают эти проблемы и могут генерировать экологически чистый водород по цене, которая, по их расчетам, сопоставима или дешевле, чем стоимость производства серого водорода.

Исследование каждой системы было опубликовано в отдельных статьях, одна в журнале Angewandte Chemie International Edition, другая в Nature Communications. Кандидат наук Синьтун Гао был первым автором статьи в международном издании Angewandte Chemie и входит в университетскую команду, возглавляемую главным исследователем COE-CSI профессором Яо Чжэном и профессором Шичжан Цяо, заместителем директора и главным исследователем COE-CSI, которые работают в Школе химической инженерии.

Получение водорода из чистой мочевины не ново, но команда нашла более доступный и экономичный процесс, в котором моча используется в качестве альтернативного источника чистой мочевины.

"Хотя мы не решили всех проблем, если эти системы будут расширены, наши системы будут производить безвредный газообразный азот вместо токсичных нитратов и нитритов, и обе системы будут потреблять на 20-27% меньше электроэнергии, чем системы разделения воды", - говорит профессор Чжэн.

"Нам нужно снизить затраты на производство водорода, но углеродно-нейтральным способом. В системе, описанной в нашей первой статье, при использовании уникальной безмембранной системы и нового катализатора на основе меди использовалась чистая мочевина, которая производится с помощью энергоемкого процесса синтеза аммиака Haber-Bosch с выделением большого количества _CO2.

"Мы решили эту проблему, используя экологически чистый источник мочевины - человеческую мочу, которая является основой системы, рассмотренной в нашей второй статье".

Моча или мочевина также могут быть получены из сточных вод и других сточных вод с высоким содержанием азотистых отходов. Однако моча в электрокаталитической системе представляет собой другую проблему. Ионы хлорида в моче запускают реакцию с образованием хлора, которая вызывает необратимую коррозию анода системы, где происходит окисление и потеря электронов.

"В первой системе мы разработали инновационную и высокоэффективную систему безмембранного электролиза мочевины для получения недорогого водорода. В этой второй системе мы разработали новый механизм окисления, опосредованный хлором, в котором использовались катализаторы на основе платины на углеродных носителях для получения водорода из мочи", - говорит профессор Цяо.

Платина является дорогим, драгоценным и конечным металлом, и растущий спрос на нее в качестве каталитического материала является неустойчивым. Основная миссия Центра передового опыта в области углеродной науки и инноваций ARC заключается в внедрении преобразующих технологий углеродных катализаторов для традиционной энергетической и химической промышленности.

Команда Университета Аделаиды будет опираться на это фундаментальное исследование, разрабатывая катализаторы на основе углерода, не содержащие драгоценных металлов, для создания безмембранных систем очистки мочи и сточных вод, обеспечивая более дешевое извлечение экологически чистого водорода при одновременном восстановлении окружающей среды сточных вод.